La computación cuántica —un término que para casi todo el mundo es tan extrañamente raro como apasionantemente futurístico— está haciéndose un hueco en el interés de la gente. Combina la omnipotencia tecnológica de la computación digital con la asombrosa complejidad y abstracción de la teoría física más importante del siglo XX. Promete iniciar una nueva revolución tecnológica que podría dar forma al siglo en el que vivimos, de la misma forma que el desarrollo de circuitos digitales lo hizo en el siglo XX.
Durante mucho tiempo, los ordenadores cuánticos sonaban a ciencia ficción y su desarrollo parecía demasiado lejano. No obstante, todos sabemos que el futuro se acerca a pasos agigantados. Recientemente se ha revelado que los ingenieros de Google han logrado diseñar un ordenador cuántico que, por primera vez, ha solucionado un problema que un ordenador convencional es incapaz de resolver.
Concretamente, el procesador del ordenador de Google (conocido como Sycamore) solo necesitó 200 segundos para llevar a cabo una tarea informática especial para la que el mejor superordenador del mundo necesita 10 000 años. Hace unos años, Google acuñó el concepto «supremacía cuántica»: la idea de que un ordenador cuántico es superior a cualquier otro ordenador tradicional clásico en la ejecución de ciertas tareas. Parece que esta «supremacía cuántica» ya está aquí. Por tanto, podríamos estar ante un «momento Sputnik» en la tecnología de la información. Si bien se trata más bien de un hito simbólico —dado que el problema resuelto por Sycamore es de naturaleza muy académica—, el logro de Google podría estimular drásticamente el desarrollo de la tecnología de la información cuántica, como hizo el histórico hito del Sputnik para los viajes espaciales en la década de 1950.
Así pues, ¿qué es un ordenador cuántico? En primer lugar, aunque los ordenadores convencionales (con sus piezas cada vez más pequeñas) son objeto de efectos cuánticos, su funcionalidad principal se basa por completo en la física clásica.
La denominada «arquitectura von Neumann», en la que se basan todos los ordenadores en la actualidad, garantiza que los pasos de cálculo se procesan de forma secuencial, esto es, bit a bit. Cada una de las unidades de información del menor tamaño posible asumen un estado definido de 1 o 0.
En cambio, los ordenadores cuánticos emplean las mismas características de la teoría cuántica directamente y, por tanto, son objeto de una teoría de la información completamente distinta. En los ordenadores cuánticos, el equivalente de un bit clásico es un bit cuántico, o cúbit en su versión abreviada.
Los cúbits tienen algunas características increíbles: Por ejemplo, pueden asumir ambos estados —0 y 1— de forma simultánea, así como todos los valores intermedios, como «medio 1» y «medio 0». Esto se debe a la capacidad de los estados cuánticos para existir en las denominadas «superposiciones»: el solapamiento de los estados tradicionales mutuamente excluyentes.
Esta extraña característica de las partículas cuánticas era antaño origen de acalorados debates entre los padres de la física cuántica y terminó por encontrar su expresión en el conocido experimento del gato de Schrödinger. Además, varias partículas cuánticas pueden asumir los denominados «estados entrelazados». Esta es otra característica poco habitual del universo cuántico que no tiene equivalente en nuestro mundo clásico. Es como si los cúbits estuvieran vinculados entre sí mediante un resorte invisible. A través de una «espeluznante acción a distancia» (un término originariamente inventado por Albert Einstein de forma irónica, dado que consideraba que el entrelazamiento era imposible), los cúbits están en contacto directo entre sí. Cada bit cuántico «sabe», por decirlo de algún modo, lo que el resto está haciendo en ese momento.
Por tanto, los cúbits entrelazados existen en una superposición de infinitos estados distintos al mismo tiempo y todos ellos están conectados a través de una banda invisible e incalculable. En palabras más sencillas: el sistema de multipartículas se encuentra en todos los estados posibles de forma simultánea.
Solo se materializan estados individuales específicos (con una probabilidad respectiva) tras una medición física. Antes de ese momento, están objetivamente indeterminados: otra característica extraña del universo cuántico. Ahora con la ayuda del algoritmo correspondiente, todos los cúbits entrelazados pueden procesarse simultáneamente.
Es como si muchas fábricas de chocolate hubieran empezado sus líneas de producción al mismo tiempo y empezaran a producir chocolate en paralelo. Y cuantos más cúbits estén entrelazados, más estados pueden procesarse al mismo tiempo.
Al contrario de los ordenadores convencionales, cuyo poder informático aumenta de forma lineal con el número de componentes computacionales, el poder de un ordenador cuántico aumenta de forma exponencial con el número de cúbits empleados. Así pues, el desempeño de un ordenador cuántico no se duplica cuando otros 100 cúbits se incorporan a los 100 cúbits existentes, sino que lo hace cuando un solo cúbit se añade a los 100 cúbits originales.
Si se incorporan otros 10 cúbits, su desempeño aumenta en 1000 veces (para ser más precisos, en 1024 veces); con 20 nuevos cúbits, el ordenador cuántico ya es un millón de veces más rápido y con 50 nuevos cúbits, un billón de veces más rápido. Por tanto, con 100 nuevos transmisores de información, mientras que el desempeño de un ordenador tradicional simplemente se duplica, el aumento en el desempeño de un ordenador cuántico difícilmente puede cuantificarse. Con ese enorme poder de computación paralela, se podrían resolver problemas que aún son demasiado complejos para procesar incluso para los «superordenadores» que se utilizan hoy día en física, biología, investigación climática o cualquier otro campo.
No obstante, si lo analizamos de forma más pormenorizada, la paralelización masiva lograda con la ayuda de los estados entrelazados no puede compararse con la producción paralela de fábricas de chocolate. La información almacenada y procesada en los sistemas entrelazados es muy distinta de la información procesada por los ordenadores digitales ordinarios.
Los ordenadores cuánticos no trabajan literalmente en paralelo, sino que organizan la información de tal modo que se distribuye en muchos componentes entrelazados del sistema general. Imagínese un libro con 100 páginas. En un libro normal de 100 páginas, cada vez que lee una página, ha accedido a un 1 % del contenido del mismo. Después de leer todas las páginas una a una, ya sabe todo lo que hay en el libro.
Un libro cuántico, en el que las páginas están entrelazadas, funciona de otra manera. Si se leen las páginas una a una, solo se accede a texto aleatorio incomprensible, y después de leer todas las páginas una tras otra, se sabe muy poco del contenido del libro. Ello se debe a que la información del libro cuántico no está impresa en las páginas individuales, sino que está codificada de forma casi exclusiva en la correlación de las páginas entre sí. Si alguien quiere leer el libro, debe hacerlo mirando todas las páginas simultáneamente.
En este sentido, destacamos cinco problemas que superan los límites de los ordenadores actuales y muestran las increíbles posibilidades que podrían surgir con los ordenadores cuánticos:
- Criptografía: Los métodos comunes de encriptación de hoy en día se basan en la refactorización de los resultados de dos números primos muy amplios. Desde un número de un cierto grado en adelante, esta tarea ya no puede resolverse con un ordenador clásico. En 1994, el científico informático Peter Shor desarrolló un algoritmo que, con la ayuda de un ordenador cuántico, podía factorizar en sus divisores los resultados más grandes de los números primos utilizados en la actualidad en tan solo unos minutos.
- Resolución de problemas complejos de optimización: Los matemáticos consideran la tarea de encontrar la solución óptima entre muchas variantes especialmente complicada. Estos problemas se dan en logística industrial, en el diseño de microchips o en la optimización del flujo de tráfico. Incluso con un pequeño número de variantes, los ordenadores tradicionales fallan en el cálculo de soluciones óptimas. Los ordenadores cuánticos, en cambio, podrían resolver estos problemas de optimización en un tiempo reducido en términos comparables.
- Asimismo, podrían surgir importantes aplicaciones en el ámbito de la inteligencia artificial: Las «redes neuronales profundas» que se utilizan en este campo presentan complejos problemas de optimización combinatoria que pueden resolverse de forma mucho más rápida y adecuada por los ordenadores cuánticos que por los clásicos. De este modo, las máquinas podrían ser infinitamente más inteligentes de lo que lo son en la actualidad.
- Búsquedas en bases de datos de gran envergadura: A la hora de buscar en conjuntos de datos no clasificados, los ordenadores clásicos tienen que examinar todas las entradas de datos de forma individual. Por tanto, el tiempo de búsqueda se incrementa en paralelo al número de entradas de datos, algo que, en el caso de grandes cantidades de datos, pasa a ser una tarea demasiado prolongada para un ordenador tradicional. En 1996, el científico informático Lov Grover publicó un algoritmo de computación cuántica para el que el número de pasos de cálculo necesarios se incrementa solo con la raíz cuadrada del número de entradas de datos. En vez de necesidad mil veces más de tiempo para mil millones de entradas de datos en comparación con un millón, con el algoritmo de Grove un ordenador cuántico necesitaría un tiempo tan solo 30 veces superior, lo que constituiría una mejora impresionante para números de gran envergadura.
- Búsquedas de nuevos compuestos químicos: En la simulación de sistemas cuánticos, se producen sin cesar problemas complejos de optimización a la hora de encontrar la mejor configuración posible —es decir, la más eficiente desde el punto de vista energético— de los electrones en un átomo o molécula en una situación con muchas alternativas. Los físicos y químicos teóricos han lidiado con estos problemas durante décadas con un éxito limitado. Las ecuaciones cuánticas correspondientes son sencillamente demasiado complejas para que los ordenadores clásicos las resuelvan. Los ordenadores cuánticos podrían categorizar y modelizar directamente el comportamiento de los electrones involucrados, dado que ellos mismos se comportan como un sistema cuántico. Podría utilizarse esta mejor comprensión del comportamiento molecular y de las reacciones químicas concretas para encontrar nuevos medicamentos o desarrollar tecnologías de baterías mucho más eficientes.
Algunos físicos incluso creen que los ordenadores cuánticos nos permitirán resolver cualquier problema que suceda en la naturaleza, desde el comportamiento de los agujeros negros, el desarrollo original del universo y las colisiones de partículas elementales de alta energía hasta la superconductividad y la modelización de las 100 000 millones de neuronas (y más de mil conexiones) presentes en nuestro cerebro. En cualquier caso, merecerá la pena leer la sección científica de los periódicos con mayor atención en las próximas semanas y meses para descubrir qué nos depara este ámbito.
Columna de Lars Jaeger, responsable de la división Alternative Risk Premia y gestor de GAM Systematic en GAM Investments.
Fuente: www.larsjaeger.ch
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